第4课 电阻式传感器信号调节.差动结构
电阻式传感器教学课件
电阻式传感器的电路设 计
电阻式传感器的电路设计需 要考虑电容、电感和放大器 等元件的选型和组合，以提 高传感器的性能和稳定性。
电阻式传感器的材料选 择和封装设计
电阻式传感器的材料选择和 封装设计对传感器的灵敏度 和耐用性有重要影响，需要 根据具体应用需求进行优化。
第五部分：案例分析
1
照度传感器的设计和应用
电阻式传感器的分类
根据应用领域和测量目标的不同，电阻式传感器可以分为温度传感器、湿度传感器、光敏传 感器等多个类别。
电阻式传感器的工作原理
电阻式传感器通过测量材料电阻的变化来间接测量物理量，如温度、湿度、压力等，其原理 基于材料的电导率随物理量变化而变化。
第二部分：电阻式传感器的应用
温度传感器
温度传感器是电阻式传感器的常 见应用之一，广泛用于家电、汽 车和气象等领域，为温度监测提 供准确数据。
电阻式传感器教学课件PPT
这是一份关于电阻式传感器的教学课件PPT，通过简要的概述、实际应用和设 计制作等几个部分，系统介绍了电阻式传感器的基本概念、原理、应用和制 作过程。
第一部分：概论
什么是电阻式传感器
电阻式传感器是一种基于电阻变化来检测和测量物理量的传感器，广泛应用于工业自动化和 科学研究领域。
照度传感器
照度传感器基于光敏电阻原理， 可测量环境中的光照强度，被广 泛应用于自动照明控制和摄影设 备中。
气体传感器
气体传感器采用特定材料的电导 率随气体浓度变化的特性，用于 检测和测量空气中的有毒气体或 可燃气体。
第三部分：常见电阻式传感器
1 电位器
电位器是一种通过滑动触点改变电阻值的传感器，常用于电子设备中的电压和位置调节。
2 热电阻
电阻式传感器PPT课件
2.2.2 电阻应变片的温度补偿方法
电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿 和应变片自补偿两大类。
电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补 偿方法。
电桥补偿法
a
R1
R2
Uo
R3
R4
b U
~
(a)
F
R1
F
R2
R1－工作应变片 R2－补偿应变片 (b)
电路分析
U 0 U a U b R 1 R 1 R 2 U R 3 R 3 R 4 U ( R 1 R 1 R R 4 2 ) ( R R 3 2 R 3 R 4 ) U
测 量 U 0 U 0 f( R R ) R R R R K U f (F ) F
这样， 测出A、 B处的应变， 即可得到载荷F。
2.4.2 应变式压力传感器
主要用来测量流动介质的动态或静态压力。
E
图 直流电桥
＋
RL Uo －
2.
U
o
E
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
R1R 4
( R1 R1 R 2 )( R 3 R 4 )
R4 R1
E
R3 R1
1
R1 R1
R2 R1
1
然后接成全桥测量电路。 避开xR/ 3位置。
2.4.2 应变式容器内液体重量传感器
电阻应变片 （敏感元件）
传压杆 （弹性元件）
微压传感器
感压膜
h
R2 R0
U R1
R4 Uo
R3
(a)结构图
电阻式传感器工作原理及结构图解分析.
电阻式传感器工作原理及结构图解分析电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。
9.2.1 电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。
应变式传感器特点变式传感器特点①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
1、应变式传感器的工作原理(1) 金属的电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。
公式推导：若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:(9.1)如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。
将式(9.1)微分，整理可得:(9.2)对于圆形截面有：(9.3)为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有:(9.9)将式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)将式(9.5)代入(9.2)，并整理得：(9.6)(9.7) 或K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程：由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。
对于金属材料项比项小得多。
大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成：(9.8)通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
电阻式传感器的结构和应用
电阻式传感器的结构
结构：由电阻元件及电刷（活动触点）两个基本部分组成。
电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器的结构与材料
（1）电阻丝：康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等
（2）电刷：常用银、铂铱、铂铑等金属
（3）骨架：常用材料为陶瓷、酚醛树脂、夹布胶木等绝缘材料，骨架的结构形式很多，常用矩形。
电阻式传感器的应用
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
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电阻式传感器教学课件PPT
两者区别：
电阻应变片式主要是金属丝式、铂式，而压阻式的材料主 要是半导体，两种材料虽然都对外力变化呈现出电阻的 变化，但原理不同。另外，应变式材料对外力的敏感度 远远低于半导体压阻材料，后者的灵敏度是前者的约 100倍；应变材料特性受温度影响较小，而半导体压阻 材料对温度敏感。
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压阻式压力传感器为什么要采用温度补偿？
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5、电阻应变片的粘贴技术
应变片的准备 (1)检查应变片（花）的外观，剔除那些敏感栅有形状缺
陷，片内夹有气泡、锈点等应变片（花）。
(2)用万用表测量各应变片（花）的电阻值，每小组选择电阻值差 在±0.5欧姆内的应变片6枚，应变花2枚供贴片用。
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贴片
(1)一手捏住应变片引出线，一手拿粘合剂小瓶，将
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设计题
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1、
• 使用了称重传感器。水果先进入V型槽调整位置，使其一 个个排列好。称重传感器被固定在机架上。工作时果杯的 底座安装在输送链条上，由链条带动往前输送，当果杯被 链条带到称重传感器上方时，传感器检测到重量的变化， 然后把数据传输到计算机进行处理，经过对比去零后得到 水果的重量。然后待果杯被送到卸料位置后，用电磁铁把 果杯推侧翻卸料。
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应变式扭矩传感器的实际应用
• 电阻应变式扭矩传感器，利用应变原理制成的。扭矩 传感器利用高档箔式应变片组成了电桥 ，在力的作 用下电阻值增加或减小 ，当输入端加上直流电压后 ， 输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。 再经过信号处理计算 ，我们就能知道扭矩的大小了。
• 应用于汽车飞机等方面
半导体压阻材料对温度敏感，所以温度稳定性较差， 所以必须采用温度补偿。
电阻式传感器总结PPT课件
单臂应变电桥
工作臂
双臂应变电桥
应
全臂应变电桥
变 电
电源
直流电桥：R 交流电桥: R、L、C
桥 工作方式
平衡桥式：零位测量法（静态） 不平衡桥式：偏差测量法（动态）
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金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化 将十分困难，且误差很大。
生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNA、RNA等物质，
被测量都属于化学量（被测物质分子量较大）。对这些物质敏感并将其浓度 转换为电信号进行检测的仪器 。
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物理传感器概述
物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某 些物理效应（如光电效应、压电效应、电磁效应、热 电效应等)，把被测量的物理量转化成为便于处理的能 量形式的信号（通常是电信号）的装置。其输出的信 号和输人的信号有确定的函数关系。
l
2r 2(r-dr)
F
l+ dl
金属丝的应变效应
根据应力σ和应变ε的关系:
应力σ=εE，
通过弹性元件，可将应力转 换为应变，这是应变式传感器测 量应力的基本原理。
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应变效应
应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。
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应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如， 当应变为0.000001时，在工程中常表示为1×10-6或μm/m。在应 变测量中，也常称为微应变。 金属丝式应变片的结构
电位器是一种机电转换元件，可将位移(直线位移或线位移)转换成电阻 或电压输出。
电阻式传感器工作原理
电阻式传感器工作原理
电阻式传感器是一种常见的传感器类型，它通过测量电阻的变化来感知被测量物理量的变化。
它广泛应用于温度、压力、湿度等物理量的测量和控制领域。
电阻式传感器的工作原理主要基于电阻值随被测量物理量的变化而变化的特性。
下面我们将详细介绍电阻式传感器的工作原理。
首先，电阻式传感器的工作原理与材料的电阻特性密切相关。
在电阻式传感器中，常用的材料包括铜、铁、镍等，这些材料的电阻值随温度、压力等物理量的变化而变化。
当被测量物理量发生变化时，传感器内部的材料电阻值也会相应变化。
其次，电阻式传感器通常采用电桥测量电路进行测量。
电桥测量电路是一种常用的测量电阻值的方法，它通过比较传感器电阻与标准电阻之间的差异来实现对被测量物理量的测量。
当传感器电阻值发生变化时，电桥测量电路会检测到电阻差异并输出相应的电信号。
最后，电阻式传感器的输出信号通常需要经过信号调理电路进行处理。
由于传感器输出信号较小，需要经过放大、滤波等处理才能输出到控制系统中进行进一步处理。
信号调理电路能够有效地提高传感器的测量精度和稳定性。
综上所述，电阻式传感器的工作原理主要基于材料的电阻特性、电桥测量电路和信号调理电路。
它通过测量电阻值的变化来实现对被测量物理量的测量。
电阻式传感器具有结构简单、成本低、响应速度快等优点，因此在工业自动化控制、环境监测、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，能够更加深入地了解电阻式传感器的工作原理，为相关领域的工程应用提供参考和指导。
第4节 传感器与变送器
所谓调零点，就是当测量信号 ∆p=0 时，确保差压变送器 的输出p出=0.02Mpa。若当p出≠0.02Mpa时,则应该进行调 整。调整方法是通过调整调零弹簧的预紧力，强制改变挡 板与喷嘴之间的初始开度，使得 ∆p=0 时， p 出 =0.02Mpa 。所谓调量程，是指当测量信号 ∆p 达到最大值时，调整 量程支点的上下位置，使得p出=0.10Mpa 。
• 为了检测主机的转向，需安装两个磁头，且它们之间错位1/4 齿距，使两个磁头所产生的脉冲信号在相位上相差1/4周期。 • 正车时，CP端上升沿时，D端为1，Q输出1； • 倒车时，CP端上升沿时，D端为0，Q输出0。
• 二、变送器 • 1.变送器的构成原理
y K ( Dx z0 ) 1 KF
起点从零迁到某一数值。迁移后，量程的起点和终
点都改变，但量程保持不变。
变送器零点迁移前后的输入输出特性
• 2.气动差压变送器 • 工作原理？
图5-60单杠杆差压变送器原理示意图
7-档板
5-顶针架
单 杠 杆 差 压 变 送 器 结 构 原 理 图
6-喷嘴 8-调零迁移弹簧
9-杠杆
11-锁紧螺母 12-静压误差 调节螺母 14-支架 17-负压室 16-膜盒
p 0
E s 0 l3 p出 0.02 MPa F反 l2
• 双杠杆差压变送器 1）在单杠杆变送器中，量程增加→L2增加==>量程非 常大，必须增长主杠杆； 2）主杠杆增加，容易引起振荡。 为此设计出双杠杆变送器，减小主杠杆的长度。
• 双杠杆差压变送器
F膜 L1 L 4 p出 p F反 L 2 L 3 K 双 p
（2）热电偶式温度传感器
＋
e
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RLEAD
-
-FORCE
+
恒流源用在桥路中
CONDTANT CURRENT EXCITATION MINIZES WIRING RESISTANCE ERRORS
4-LEAD BRIDGE
I
RLEAD
+ VREF -
VO
I
RLEAD
I = VREF I RSENSE
RSENSE
Figure 2.16
+
+VS
VB
R
R
VOUTΒιβλιοθήκη = VB [ ∆R ][1+ 2R
R2] R1
+VS
+
VOUT
-
-VS
-
R2
-VS
R +△R R
R1
简单的交流电桥
SIMPLIFIED AC BIDGE DROVE CIRCUIT
+E
Q1
Q3
V3,4
+SENSE
V1,2
Q2
VO
- SENSE
Q4
+E
V1,2 Q1,Q2 ON
VB
VB
R
R R +△R R
Vo
Vo
VB
VB
R R -△R R +△R R -△R
Vo
Vo
R R+△R R R+△R R R+△R R -△R R+△R
VO :
VB 4
[
R
∆R + ∆R
]
2
Linearty Error:
0.5%/%
VB 2
[
R
∆R + ∆R
]
2
0.5%/%
VB [∆R] 2R
∆R VB[ R ]
Ρλ
电阻是通过对其通以电流然后测量其上的电压计算得到的。要得到大的 灵敏度，电流不能很小；但较大的电流会在电阻的连接导线上产生压降， 因此会影响测量精度。
四线传输
激励端 导线电阻
测量端
去高阻抗 测量仪表
Pt100
IEX RL1
+
RL2
V0 -
RL3
RT
RL4
优点：电阻的测量通过分离开激励回路与测量回路而大大提高了测量 精度。一般仪表的输入阻抗十分高，因此测量回路中在传输线上的压 降可以忽略不计。
所以使用非常广泛。
另外一个差动改善线性很好的例子在：第6课 电抗式传感器中。
热电偶效应对直流电桥的影响及 消除方法
THERMOCOUPLE VOLTAGE
≈35µV /°C×(T1−T2)
+E
T1
+
Vo
T2
-
IB +
VOS
+ AMP
-
IB -
COPPER KOVAR TRACES PINS
参考：第7课，热电偶效应；第16课，调制与解调；第17课，相关 检测。这个电路的后级最简单的接法是使用电容隔直通交，然后接 相敏检波或者锁定放大器。（关于相敏检波我们会在测控电路里详 细说明）
Q1,Q2 ON
V3,4
Q3,Q4 ON
Q3,Q4 ON
单敏感元件的线性化方法1
VB
1 2
VB
(1
+
R
++R ) R
R
R
−VB
R
++R ) R
+VS
+
- -VS*
R
R+△R
VOUT
=
−VB[
∆R] 2R
LINEARIZING A SINGLE-ELEMENT VARYING BRIDGE METHOD 1
0.25 -1 -0.5
理想输出 实际输出
0.5 1 x
-0.25
-0.5
(b)
6引线用在桥式电路中
KELVIN (4-WIRE) SENSING MINIMIZES ERRORS
DUE TO LEAD RESISANCE
+FORCE
+ +VB
6-LED
RLEAD
-
BRIDGE +SENSE
VO
SENSE
作业
1、Pt100用来测温，使用两线传输，距离100米，导线为20AWG， 问由此可能产生多大的测量误差？（20AWG，33.2欧姆/km）
做 2、证明右下角面电路的输出为：
3、假定某一铂电阻温
VOUT
=
VB 2
[∆R][1+ R
R2] R1
VB
度计的电阻为100欧姆， 放在空气中的d=6mW/K,
350 Ώ —3500 Ώ
压力传感器 •Pressure Sensors
350 Ώ —3500 Ώ
湿度 •Relative Humidity
100k Ώ—10M Ώ
热电阻 •Resistance Temperature Devices(RTDs)
100 Ώ,1000 Ώ
热敏电阻 •Thermistors
if VB = 10V, and the fullscale bridge output is 10mV, then the sensitivity is 1mV/V.
电桥需要考虑的问题
Selecting Configuration (1,2,4 –Element Varying) Selection of Voltage or Current Excitation Stability of Excitation Voltage or Current Bridge Sensitivity :FS Output Excitation Voltage 1mV/V to 10mV/V Typical Fullscale Bridge Outputs:10mV – 100mV Typical Precision ,low Noise Amplification / Conditioning Techniques Required Linearization Techniques May Be Required Remote Sensors Present Challenges
全差动放大器 差动放大器
v1
特别需要注意，输入实际上必 须是三端连接方式。信号一般 不能 只连接两个差动端。
（这一部分的内容我们在“测 控电路”里讲解）
IA v2
仪用放大器的特点
1、输入阻抗很高 2、共模抑制比很高 3、放大倍数调整容易
现有单片集成仪用放大器: AD621 AD623， INA116 INA125 等在仪器中得到广泛的应用
0
0
(A) Single-Element (B) Two-Element (C) Two-Element (D) All-Element
Varying
Varying(1)
Varying(2)
Varying
半桥单臂的非线性
Ib
R1
R2
i2
Vr
+ -
- vo +
i1
R4
R3=R0(1+x)
(a)
vo/Vr
0
IB [∆R] 2
I B [∆R]
0
0
(A) Single-Element (B) Two-Element (C) Two-Element (D) All-Element
Varying
Varying(1)
Varying(2)
Varying
R
R-re+rt
R +re+rt
（后面部分为备用资料）
下节课讲解内容
1、电抗式传感器(电感，电容传感器)； 2、感应同步器
注意基础知识 1.迟滞比较器
2.加减计数器(74HC191)
后备作业：直接使用差动放大器的典型电路
VB
R
R
R1
R1
RF
+VS
+
R
R+△R
RF
VS 2
单敏感元件的线性化方法2
第4课 电阻式传感器信号调节
2010.09 中国科学技术大学精密机械系
电线电阻的影响
ςχχ
R=10.5Ω
COPPER
100Ω
ι
Ρλ
Pt RTD
Ρτ
R=10.5Ω
ςουτ=ι(2Ρλ+Ρτ)
COPPER
RESISTANCE TC OF COPPER=0.40%/℃ @ 20℃
RESISTANCE TC OF Pt RTD =0.385%/℃ @ 20℃
100 Ώ—10M Ώ
20度时导线的电阻实例
AWGb 10
20
30
部分铜导线的数据
绞合导线 实心线
37/26
49/27 实心线 10/30 26/34 实心线 7/38
直径/mm 2.600 2.921 2.946 0.813 0.899 0.914 0.254 0.305
记下红线框中的数据，作业用到。
+E
EOS
-
+
+
VB = - VO+ EOS -
仪用放大器
v1
+ va R3
R4
va
=
v1 (1 +
R3 R1
)
−
v2
R2 R1
-
R1 R2
-
R2
+
-
R3
R4